Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     Siemens  n-tv 
Datenbankrecherche:

Fachgebiet (optional):

 

Doping Buckyballs With Atoms, One at a Time

12.03.2004

Anzeige


By using the STM’s tip to move a C60 molecule over potassium atoms one at a time, the buckyball can reliably be made to acquire up to four potassium-atom dopants


As a buckyball acquires potassium-atom dopants the energy state of its molecular orbitals shifts, causing the doped molecule to "light up" in the STM image.


Researchers Tune the Electronic Properties of Individual C60 Molecules

A team led by Michael Crommie, a staff scientist in Lawrence Berkeley National Laboratory’s Materials Sciences Division and a professor of physics at the University of California at Berkeley, has used a scanning tunneling microscope (STM) to attach individual potassium atoms to isolated carbon-60 molecules.

By adding potassium atoms to familiar soccer-ball-shaped "buckyballs," Crommie and his coworkers can increase the electric charge on each C60 molecule; individual potassium atoms are either attached or removed from a C60 molecule using the tip of an STM. The method demonstrates that the electronic properties of an individual molecular structure can be reversibly tuned with atomic precision. The researchers report their work in the 12 March 2004 issue of the journal Science.

"Doping materials is a fundamental component of the entire modern electronics industry," Crommie says, referring to the process of adding impurities like phosphorus or boron to semiconductors like silicon to give the doped material an excess of negatively charged electrons or positively charged holes.

Junctions between n-type and p-type semiconductors are at the heart of the diodes, transistors, integrated circuits, computer chips, and other devices that make possible personal computers, cell phones, CD and DVD players, solar cells, and hundreds of other electronic gadgets. Doping bulk materials is well understood, says Crommie, "but we need to take these techniques and scale them all the way down to the single-molecule level."

At this level, one or two extra electrons’ worth of charge can affect the performance of critical electronic components. Building a molecular p-type/n-type junction might require electron doping of one molecule and hole doping of another. "With this work we’ve shown how to control the electron doping with absolute precision," Crommie says.

Crystals and monolayers of buckyballs and other fullerenes have long been doped by introducing metal atoms like potassium or rubidium. Crommie and his colleagues extended the process to the atomic level by depositing widely separated C60 molecules and potassium atoms on the surface of a silver crystal polished to virtually perfect flatness. The samples were prepared in ultrahigh vacuum and cooled in an STM to just seven degrees Kelvin above absolute zero.

In an STM a voltage bias between a fine probe, only a few atoms wide at its tip, and the surface of the sample being investigated causes an electric current to tunnel between them. The strength of the current yields information about the sample’s microscopic shape and electronic structure. And by bringing the tip close enough to attract individual atoms or molecules, they can be moved at will.

After depositing C60 molecules and potassium atoms on the silver surface, Crommie’s group mapped their positions, then used the STM’s tip to move the buckyballs over the potassium atoms, picking them up one at a time — like a molecular Pac-Man. In this way a buckyball could reliably be made to pick up from one to four potassium atoms. By then moving the buckyball over an impurity in the silver surface (most likely an oxygen atom), the potassium atoms could be "pulled off" one at a time.

The shape of an individual C60 molecule did not change significantly when potassium atoms were added: a buckyball with four potassium atoms was about nine percent wider and three percent shorter than an unadorned buckyball.

Electronic changes were more marked. The added charge donated by the potassium atoms caused the molecular orbital states of the C60 molecule to fill with electrons in a way analogous to the way the conduction band of a semiconductor fills with electrons when it is n-doped. Unlike the potassium-doping of C60 in extended monolayers and bulk crystals, however, where potassium atoms contribute one electron each, here each potassium atom contributed only about 0.6 of an electron’s charge to the individual buckyball.

These results suggest that the potassium atoms collect at the interface where the C60 molecule meets the silver surface, partially hiding from the STM’s probe and sharing part of their charge with the silver substrate.

Until now, controlling the electronic properties of molecular structures in the developing field of nanotechnology (a nanometer is one billionth of a meter) usually involved having chemists synthesize new starting materials in a test-tube or "gating" the structure — i.e., influencing the electronic environment with nearby electrodes. The new work offers a third way, with the major advantage of flexibility.

"If you want molecular structures to jump up and dance, the name of the game is control," says Crommie. "Tunability is the key to tailoring the electronic properties of individual molecules. We have demonstrated that we can do this in situ in a controllable, reversible way."

"Controlled Atomic Doping of a Single C60 Molecule," by Ryan Yamachika, Michael Grobis, Andre Wachowiak, and Michael F. Crommie, appears in the 12 March 2004 issue of Science.

The Berkeley Lab is a U.S. Department of Energy national laboratory located in Berkeley, California. It conducts unclassified scientific research and is managed by the University of California. Visit our website at http://www.lbl.gov.

Paul Preuss | Quelle: LBNL
Weitere Informationen: www.lbl.gov/Science-Articles/Archive/MSD-doping-buckyballs.html
www.physics.berkeley.edu/research/crommie/index.html

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Datenspeicher mit Lachs-DNA und Nano-Silber
08.02.2012 | Karlsruher Institut für Technologie

nachricht All Foamed Up
07.02.2012 | Angewandte Chemie International Edition

Alle Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>


Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Anti-Angst-Hormon Oxytocin wird gezielt an seine Wirkorte im Gehirn transportiert


Wissenschaftler beobachten, wie Oxytocin zentrale Schaltstellen im Gehirn erreicht und das Verhalten beeinflusst

Kuschelhormon, Treuehormon, Angstlöser – häufig gebrauchte Schlagwörter für das Neuropeptid Oxytocin, das sich in den letzten Jahren als ein Stoff erwiesen hat, der unser Verhalten in zentralen Regionen des Gehirns positiv beeinflussen kann. Was jedoch bisher völlig unklar war: Wie gelangt dieser Botenstoff aus dem Hypothalamus in die Hirnbereiche, die ...

Im Focus: Datenspeicher mit Lachs-DNA und Nano-Silber


Ein neuartiger Biopolymer-Film aus Lachs-DNA mit Silber-Nanopartikeln speichert Informationen kostengünstig und umweltverträglich.

Entstanden ist das organische System in fächer- und länderübergreifender Zusammenarbeit von Wissenschaftlern des DFG-Centers for Functional Nanostructures (CFN) am KIT und des Institute of Photonics Technologies an der National Tsing Hua University in Taiwan. Der DNA-Datenspeicher eignet sich unter anderem für biotechnische Anwendungen, etwa als Bauteil in Biosensoren.

Das System ...

Im Focus: VLT liefert detailreichstes Infrarotbild des Carinanebels


Bildveröffentlichung der Europäischen Südsternwarte (Garching) - Mit dem Very Large Telescope (VLT) der ESO haben das bislang detailreichste Infrarotbild der Sternkinderstube des Carinanebels aufgenommen. Es zeigt vor dem spektakulären Hintergrund einer himmlischen Landschaft auf Gas, Staub und jungen Sterne zahlreiche nie gesehene Details und zählt zu den atemberaubendsten VLT-Bildern überhaupt.

Im Herzen der südlichen Milchstraße, im Sternbild Carina (Der Schiffskiel, [1]), befindet sich in einer Entfernung von etwa 7500 Lichtjahren die Sternkinderstube des Carinanebels. Diese ausgedehnte Wolke aus leuchtendem Gas und Staub ist von der Erde aus gesehen eine der nächstgelegenen Geburtsstätten massereicher Sterne.

Der Nebel beinhaltet einige der hellsten und ...

Im Focus: Automatisch Lücken im Funkspektrum erkennen


Auf der embedded world identifizieren Wissenschaftler der Fraunhofer ESK Lücken im Funkspektrum, um diese für zusätzliche Übertragungen zu nutzen.

Der in Halle 5, Stand 5-228, vorgestellte Prototyp zeigt das Funkspektrum in einem 3D-Spektrogramm, markiert die prognostizierten Lücken und prüft deren Eintreffen. Diese Methode, Cognitive Radio, verbessert die Übertragungsqualität in einem bereits vollen Funkspektrum ohne aufwändiges, statisches Koexistenzmanagement. Ziel ist eine höhere Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit von Funk für die Automatisierung.
...

Im Focus: Bronze-Matrjoschka: hocheffiziente Katalysatoren und Nanoröhrchen mit ungewöhnlicher Symmetrie


Eine Puppe in der Puppe und noch eine drumherum – so erklärt Thomas Fässler seine Moleküle: Er packt ein Atom in einem Käfig in noch ein weiteres Atomgerüst.

Mit ihrer großen Oberfläche könnten solche Strukturen als hocheffiziente Katalysatoren dienen. Wie bei dem russischen Holzspielzeug sitzt ganz innen drin ein einzelnes kleines Zinnatom, eingepackt in eine Hülle aus zwölf Kupferatomen, und diese ist nochmals umgeben von weiteren 20 Zinnatomen.

In der Arbeitsgruppe von Professor Fässler am Institut für Anorganische ...

Alle Focus-News des innovations-reports >>>

Anzeige

B2B Suche
Produkt / Dienstleistung
Firma / Organisation

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Aktuell

Zwerggalaxie hat großen Hunger

08.02.2012 | Physik Astronomie

Anti-Angst-Hormon Oxytocin wird gezielt an seine Wirkorte im Gehirn transportiert

08.02.2012 | Biowissenschaften Chemie

Obstacles No Barrier to Higher Speeds for Worms

08.02.2012 | Biowissenschaften Chemie

VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Veranstaltungen

»Jede Sekunde zählt« Erster Internationaler Kongress zu Rettungsdienstsystemen in Neu Delhi

08.02.2012 | Veranstaltungsnachrichten

Bauwerke gebrauchstauglich halten

08.02.2012 | Veranstaltungsnachrichten

Wissenschaft im Dialog-Veranstaltungen im Wissenschaftsjahr 2012

08.02.2012 | Veranstaltungsnachrichten

FindAndHelp